应用于可穿戴脑中风检测系统的微带天线

摘要

基于微波成像技术的可穿戴脑中风检测系统与核磁共振、CT等传统检测技术相比，具有成本低，可携带等特点。在微波成像系统中，天线作为发送与接收射频信号的前端器件，是一个关键的元素，其性能对于成像的效果至关重要。为了成像的效果更加显著且检测系统方便携带，微波脑中风检测系统给天线提出了要求：超宽带、小型化、低剖面、低频段以及垂直辐射或定向辐射。然而目前的系统大都是采用端辐射的天线，这种天线的辐射增益一般比较高，比如vivaldi天线，但是不利于实现可穿戴性，即应用于可穿戴系统时具有一定的难度。而可穿戴脑中风检测系统要求系统的可穿戴性很强，同时天线也应该能够与人脑实现良好的共形，所以需要设计成垂直辐射或定向辐射的柔性天线，使得天线具有良好的可弯曲性，以便更加容易镶嵌到可穿戴系统中。
　　论文的工作内容分成六部分，首先，介绍微波脑中风检测系统的研究背景和意义；拓展天线带宽以及检测系统中所用天线的国内外研究现状；本文主要工作安排。
　　其次，介绍微带天线基础概念理论，比如微带天线概念、辐射机制、种类、馈电方式、天线的主要电参数等等；本课题使用的仿真软件平台是由美国一家公司研发的，HFSS即三维电磁仿真软件平台-高频结构仿真，该软件基于有限元法，计算结果准确度极高，是业内公认的三维电磁场设计与分析的标准；人体微波检测涉及到一些关键问题，比如安全性是首要问题，终端辐射的热效应通常使用SAR值来衡量。SAR值的大小表明了电磁辐射对于人体健康影响程度的大小。在天线设计时，电磁辐射能量对脑部的影响要给予高度重视。
　　接着，选择微带天线作为研究对象，在半圆形微带天线的基础上，提出了一种小型超宽带微带天线，该天线采用偶极子形式，通过优化天线的辐射臂形状及尺寸以及采用开槽与加载耦合贴片的方式拓展了微带天线带宽，且最大辐射方向垂直天线贴片，即垂直辐射，有利于实现可穿戴性。
　　然后，根据设计的实验方案，利用油桶和水管来制作简易的头部模型；采用矢量网络分析仪、同轴电缆、天线实物、PC以及头部模型构建模拟实验，同时收集有效的实验数据；利用共焦算法，采用MATLAB程序进行数据处理，得到头部模型的介电常数分布图，验证天线用于检测系统的可行性；
　　天线的可弯曲性也是本文的研究重点。本文提出一种新型的微带天线，用于研究弯曲对天线性能的影响；就综合性能方面来看，聚酰亚胺是绝佳的有机高分子材料，因此选择聚酰亚胺作为柔性天线的基板材料；在HFSS平台上，进行弯曲模型的建立，分析弯曲对于天线性能的影响；最后在超薄定向天线方面也做了一些探索研究。

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作安排

2 微波检测与天线理论基础

2.1 微带天线概念

2.2 微带天线辐射原理

2.3 微带天线种类

2.4 微带天线的馈电结构

2.5 天线主要电参数

2.6 三维仿真软件介绍

2.7 微波检测相关问题

2.8 本章小结

3 微带天线的设计

3.1 脑中风检测系统介绍

3.2 天线的设计需求分析

3.3 超宽带天线设计

3.4 微带天线性能

3.5 微带天线安全性

3.6 本章小结

4 天线可行性验证

4.1 共焦算法介绍

4.2 系统模拟实验

4.3 实验结果分析

4.4 本章小结

5 柔性天线设计

5.1 柔性天线简介

5.2 柔性材料的选择

5.3 原型微带天线设计

5.4 柔性微带天线弯曲测试

5.5 超薄定向天线的探索

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作计划展望

参考文献

附录A

附录B

攻读硕士期间发表的论文和参加的项目

致谢